La validité de la théorie de la relativité générale a été vérifiée avec une précision extrême

Albert Einstein ne s’était pas trompé : deux corps dont la masse ou la composition est différente tombent bien dans le vide avec la même accélération, même s’il s’agit d’un bloc de béton et d’une plume. Ce phénomène physique, dit principe d’équivalence ou d’universalité de la chute libre, a pu être vérifié avec une précision nouvelle grâce à une expérience scientifique.

Rappel des faits : fin avril 2016, sous la supervision d’Arianespace, une fusée Soyouz-STA Fregat-M décolle du centre spatial guyanais avec à son bord un satellite conçu par le Centre national d’études spatiales (Cnes). Baptisé Microscope, il a en son sein des instruments devant mesurer avec une précision exceptionnelle la fiabilité de ce phénomène physique.

Une infographie du Cnes.

Source : Cnes

But du jeu ? Voir comment se comportent deux cylindres creux concentriques — le cylindre interne est en platine et a une masse de 400 grammes tandis que le cylindre externe est en titane et a une masse de 300 grammes — en apesanteur, alors qu’un système électrostatique est installé dans l’enceinte accueillant les deux volumes pour les maintenir parfaitement immobiles l’un par rapport à l’autre.

« Il s’agit de mesurer et de comparer les forces à appliquer à chaque masse pour les maintenir fixes. Dans la mesure où l’on contrôle toutes les autres perturbations, une différence signerait une violation du principe d’équivalence », commente pour le journal du CNRS Gilles Métris, chercheur au laboratoire Géoazur et co-investigateur principal de la mission.

« Une différence signerait une violation du principe d’équivalence »

Cette mission, menée en partenariat avec l’office national d’études et de recherches aérospatiales, l’Agence spatiale européenne, l’Observatoire de la Côte d’Azur, l’Agence nationale de métrologie allemande, l’Agence aérospatiale allemande et l’Institut scientifique de l’université de Brême pour les technologies spatiales appliquées et la microgravité, a été un succès.

En effet, ce principe d’équivalence a pu être vérifié avec une précision exceptionnelle, de 2.10^-14 fois la gravité terrestre. Le précédent seuil de mesure avait été établi il y a cinq ans par le groupe de physiciens américains Eöt-Wash. Sans doute que les physiciens du monde entier ont poussé un « ouf » de soulagement, car ce principe est au cœur de la théorie de la relativité générale énoncée d’Albert Einstein en 1915.

Vue d'artiste du satellite Microscope.

Source : Cnes

C’est une formidable réussite pour la recherche française et allemande, qui peut ainsi briller au niveau mondial en confirmant à un degré inégalé de précision la plus célèbre des théories scientifiques : les résultats de l’expérience ont d’ailleurs l’honneur de figurer dans la revue à comité de lecture Physical Review Letters, considérée comme l’une des réputées au monde).

Pas question pour autant de s’arrêter là : la durée de vie de Microscope étant fixée à deux ans, celui-ci va continuer à orbiter autour de la Terre pendant encore plusieurs mois. Objectif ? Affiner encore les résultats et vérifier si le principe d’universalité de la chute libre est toujours valide à 10^-15. Pour cela, plusieurs centaines d’orbites vont avoir lieu jusqu’au printemps 2018.

« Plus de 1 900 orbites supplémentaires sont déjà disponibles, d’autres à venir, et devraient ainsi améliorer la performance de la mission » a commenté Pierre Touboul, responsable scientifique de la mission. Pour avoir une idée de ce que représente 1 900 orbites, le CNRS précise que cela équivaut à une chute libre de 85 millions de kilomètres, soit la moitié de la distance entre la Terre et le Soleil.

Enjeu de recherche

« Ce premier résultat a une portée mondiale pour la physique et va certainement déboucher sur la révision des théories alternatives à la relativité générale », a-t-il ajouté. Or, comme le note le Cnes, ce principe est «  mis à l’épreuve car les nouvelles théories – qui cherchent à concilier la gravitation avec les autres interactions fondamentales –  prédisent qu’il pourrait être violé à un niveau très faible ».

Voilà pourquoi les scientifiques cherchent à éprouver ce pilier de la théorie d’Einstein, s’il est toujours valable à des échelles infimes. L’enjeu est en effet considérable, car ces tests grandeur nature permettent aussi de faire le tri parmi les théories alternatives qui existent. Aujourd’hui, l’Europe s’occupe des seuils jusqu’à 10^-15. Et demain, les États-Unis pourraient tenter de porter la précision à 10^-18.